Dopo appena due secoli di tentativi, gli scienziati sono finalmente riusciti a far crescere il minerale dolomite in laboratorio, risolvendo il longevo enigma geologico noto come il "Problema della Dolomite". I ricercatori dell'Università del Michigan e dell'Università di Hokkaido a Sapporo, in Giappone, hanno avuto successo sviluppando una nuova teoria basata su simulazioni atomiche dettagliate.
La dolomite è un minerale diffuso in luoghi iconici come le Dolomiti in Italia, le Cascate del Niagara e gli Hoodoos dello Utah. È abbondante in rocce più vecchie di 100 milioni di anni, ma raramente si vede formarsi in ambienti più recenti, il che è stato fonte di grattacapi scientifici per generazioni.
La svolta chiave è stata capire cosa interrompe la formazione della dolomite. La sua struttura è composta da strati alternati di calcio e magnesio, ma questi elementi spesso si attaccano casualmente durante la crescita, creando difetti strutturali che bloccano ulteriori progressi. A quel ritmo difettoso, formare un singolo strato ben ordinato potrebbe richiedere fino a 10 milioni di anni.
I ricercatori hanno capito che questi difetti non sono permanenti. Gli atomi fuori posto sono meno stabili e più propensi a dissolversi quando esposti all'acqua. In natura, cicli come le piogge o le maree lavano via ripetutamente queste aree imperfette. Nel tempo, questo pulisce la superficie in modo che nuovi strati, disposti correttamente, possano formarsi, permettendo alla dolomite di accumularsi in periodi geologici invece che in eternità geologiche.
Per testare ciò, il team aveva bisogno di modellare le interazioni atomiche, un compito che di solito richiede un'enorme potenza di calcolo. I ricercatori del Centro PRISMS (Predictive Structure Materials Science) dell'Università del Michigan hanno sviluppato un software che ha semplificato la sfida. "Ogni passo atomico normalmente richiederebbe oltre 5.000 ore di CPU su un supercomputer. Ora, possiamo fare lo stesso calcolo in 2 millisecondi su un desktop", ha detto Joonsoo Kim, primo autore dello studio.
Per prove sperimentali, Yuki Kimura e Tomoya Yamazaki dell'Università di Hokkaido hanno usato un microscopio elettronico a trasmissione in modo non convenzionale. Hanno pulsato il suo fascio di elettroni 4.000 volte in due ore su un piccolo cristallo in una soluzione, sfruttando la capacità del fascio di scindere l'acqua e creare acido per dissolvere i difetti man mano che si formavano. Il cristallo è cresciuto fino a circa 100 nanometri, rappresentando circa 300 strati di dolomite - ben lontano dal precedente record di cinque.
Risolvere questo antico mistero ha implicazioni moderne. "La nostra teoria mostra che puoi far crescere materiali privi di difetti rapidamente, se periodicamente dissolvi i difetti durante la crescita", ha detto Wenhao Sun, autore corrispondente. Questa intuizione potrebbe migliorare la produzione di semiconduttori, pannelli solari, batterie e altre tecnologie. La ricerca è stata finanziata dalla borsa di studio PRF New Doctoral Investigator dell'American Chemical Society, dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e dalla Japan Society for the Promotion of Science.